CAE应用于模板结构分析

前言

塑料机模板较重要的设计重点为模板刚性及重量。模板刚性决定模板平行度与成型品质量；而决定模板刚性最大的因素为模板厚度，越厚的模板会有越佳的刚性，相对有著更重的重量及越昂贵的材料成本。

随著计算机辅助工程(CAE)技术的进步，透过计算机模拟可对模板进行结构分析，以模拟模板在实际受力情况下的强度及刚性变化情形，并针对结构较弱处给予补强；针对结构不受力处，予以移除，以达模板高刚性及轻量化的设计需求。

模板的强度、刚性与模板厚度的关系

模板平行度重要的指标为模板刚性，而模板刚性则与模板强度间互相影响，刚性与强度则与模板厚度有直接关系。模板厚度越厚，刚性越佳、重量越重且成本越高。

模板强度指的是能承受的最大应力。当模板所承受之最大应力接近材料本身之允许应力时，当作动时间一久，可能由高应力处开始产生疲劳，进而破坏。通常最大应力愈小，表示模板强度愈佳，愈不易产生破坏。

模板刚性所指的是模板抵抗变形的能力，刚性愈好，表示模板变形量愈小。模板的强度与刚性受其本身厚度的影响，增加厚度可有效提高模板的强度与刚性，相对的也提高模板重量及材料成本，进一步的影响二板需快速运动的要求。因此要在强度、刚性与厚度间取得平衡，即模板受力后产生之应力值在允许应力范围内，且模板变形量也要在合理的范围内。

CAE软件在模板结构分析上的应用

模板强度及刚性的优劣可经实际测试及实验量测而得知。然考虑到成本、试作风险及设计时程等因素，无法针对不同规格、不同设计的模板进行测试，因此较有效益的方式是以CAE软件来进行模拟。

应力分布图主要目的是判断是否有初始设计不良的问题。当模板有局部高应力值，代表这些部位有著应力集中现象，可针对这些部位适度加大圆角或改变厚度来分散及导引力流，以得到较均匀的应力分布。针对应力分布值较低的范围，代表这些范围并无承受应力(或承受较小的应力)，故可将这些部份移除以进一步的减轻模板重量。

变形图表现的则是模面变形值。越大的变形值代表著模具与模面间会产生越大的间隙，间隙产生处代表模具无法接受由模面传达的锁模力，成型过程中漏料及产生毛边的风险因而提升。

图1 头板应力分布图

以目前开发中的280吨双色机为例。图1为头板在承受锁模力后的应力分布图。由图1可知，当头板承受锁模力时，在模面与模具接触部位会产生稍高应力值；至于模板结构肋处，除了两翼应力稍大及局部应力集中外，整体应力分布还算均匀。图2为头板变形图，由图2可知，当头板承受锁模力时会产生横向及纵向的结构弯曲，模面变形因此产生。nextpage

 

图2 头板变形图

应用实例

目前厂内虽对280吨双色机模板的变形值尚未订出标准；然而为避免过度设计的情况产生，可考虑由既有机台模板的变形值作为参考来决定新模板的厚度。  

举例来说，280吨双色机头板可用已量产的250吨油压机头板分析所得的变形量数据为下限；以280吨油压机头板分析所得的变形量数据为上限，尽可能的调整280吨双色机模板厚度，把头板变形量控制在此安全变形范围内。

图3是在不考虑承载机架的情况下的整机变形图。当我们以前述方式针对头板、二板作完分析、设计修改流程之后，最后则加入哥林柱、尾板、前后螺母、模具等，配合著头板、二板一并进行分析以做为最终的验证。

 

图3 整机变形图

厂内分析部门曾针对250吨油压机进行模板分析与实验量测，由结果显示在给定的量测点上，经分析所得的模板变形值趋近于实际量测所得的模面变形值。

结论

综合以上，模板设计开发过程，可先针对初始设计的各个模板进行分析，以模板分析所得的应力分布图来进行细部修改。此目的除了要得到一受力均匀的模板外，可更进一步的修改结构肋以减轻模板重量；当细部尺寸决定，再以适当的比较机种经分析所得的变形允许范围作为参考，调整新模板厚度使得模面变形量落于允许范围内，得到模板第二次，也是最有效的减重；最后则以整机分析来做验证。

利用CAE进行模板结构分析，可了解设计不足处以进行模板强度及刚性上的补强；透过客观的比较模型，可在较少风险及节省材料成本的情况下对模板进行轻量化设计。而以比较机种作为参考依据，则可确保新开发机种的结构设计日益强化，获得精益求精的效果。